PLC-技术培训班(第5讲)现场总线介绍.ppt

热热 烈烈 欢欢 迎迎中核集团的领导和工程师们！中核集团的领导和工程师们！北京机械工业自动化研究所5/10/20241.热热 烈烈 欢欢 迎迎参加参加PLC技术培训班的技术培训班的全体学员！全体学员！l北京精诚智合教学科技有限公司5/10/20242.陈忠华陈忠华 教授教授PLC培训班（第培训班（第5讲）现场总线标准介绍讲）现场总线标准介绍5/10/20243.现场总线技术介绍现场总线技术介绍1.现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景2.2.现场总线技术概念现场总线技术概念 3.3.现场总线技术的主要特点现场总线技术的主要特点 4.现场总线的主要优点现场总线的主要优点 5.5.成熟的现场总线应该具有的技术特点成熟的现场总线应该具有的技术特点 6.6.现场总线技术对自动控制及自动化技术的影响现场总线技术对自动控制及自动化技术的影响 7.7.使用使用Profibus-DPProfibus-DP进行数据通信的实例进行数据通信的实例5/10/20244.5/10/20245.5/10/20246.现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景 现现场场总总线线技技术术自自20世世纪纪80年年代代产产生生以以来来，一一直直受受到到人人们们的的关关注注，被被誉誉为为自自动动化化控控制制领领域域的的一一次次新新的的革革命命进进入入90年年代代以以后，现场总线技术一度成为人们研究的热点后，现场总线技术一度成为人们研究的热点 现现场场总总线线技技术术的的产产生生是是由由多多方方面面因因素素共共同同作作用用的的结结果果，首首先先，现现场场总总线线技技术术的的产产生生反反映映了了当当时时仪仪器器仪仪表表自自身身发发展展的的需需要要，同同时时也也反反映映了了用用户户实实现现企企业业综综合合自自动动化化，信信息息化化的的实实际际应应用用的的要要求求，是是工工业业自自动动化化技技术术和和仪仪器器仪仪表表发发展展的的必必然然趋趋势势，其其次次由由于于计计算算机机技技术术，通通信信技技术术和和控控制制技技术术的的迅迅速速发发展展，为为实实现现上上述述要要求求提提供供了了技技术术基基础础因因此此，用用户户的的需需要要是是产产生生现现场场总总线线技技术术的的动动力力，而而计计算算机机，网网络络通通信信和和自自动动控控制制三三种种技技术术的发展则为研究开发现场总线提供了技术基础的发展则为研究开发现场总线提供了技术基础5/10/20247.现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景 传传统统控控制制系系统统有有诸诸多多不不足足：控控制制器器与与现现场场设设备备之之间间靠靠I/OI/O连连线线连连接接，传传送送4-20 4-20 mama模模拟拟量量信信号号或或24V 24V DCDC等等开开关关量量信信号号，并并以以此此监监控控现现场场设设备备这这样样，控控制制器器获获取取信信息息量量有有限限，大大量量的的数数据据如如设设备备参参数数，故故障障及及故故障障记记录录等等数数据据很很难难得得到到底底层层数数据据不不全全，信信息息集集成成能能力力不不强强，不不能能完完全全满满足足自自动动化化系系统统对对底底层层数数据据的的要要求求；除除现现场场设设备备均均靠靠标标准准4-20 4-20 mama24V 24V DCDC连连接接外外，系系统统其其它它软软，硬硬件件通通常常只只能能使使用用一一家家产产品品不不同同厂厂家家产产品品之之间间缺缺乏乏互互操操作作性性，互互换换性性，因因此此开开放放性性，可可集集成成性性差差 5/10/20248.现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景 这种系统很少留出接口允许其它厂商将自己专长的控制这种系统很少留出接口允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法，工艺流程，配方等集成到通用系统技术，如控制算法，工艺流程，配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的监控系统很少；对于大范围的中去，因此，面向行业的监控系统很少；对于大范围的分布式系统，使用大量的分布式系统，使用大量的I/OI/O电缆，以及敷设施工，不仅电缆，以及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性；由于现场级设备增加成本，也增加了系统的不可靠性；由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断，报警，记录功信息不全，现场级设备的在线故障诊断，报警，记录功能不强，也很难完成现场设备的远程参数设定，修改等能不强，也很难完成现场设备的远程参数设定，修改等参数化功能，影响了系统的可维护性等参数化功能，影响了系统的可维护性等 5/10/20249.现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景 由由于于大大规规模模集集成成电电路路的的发发展展，许许多多传传感感器器，执执行行机机构构，驱驱动动装装置置等等现现场场设设备备智智能能化化，即即内内置置CPUCPU控控制制器器，完完成成诸诸如如线线性性化化，量量程程转转换换，数数字字滤滤波波甚甚至至回回路路调调节节等等功功能能因因此此，对对于于这这些些智智能能现现场场设设备备增增加加一一个个串串行行数数据据接接口口（如如RS-232/485RS-232/485）是是非非常常方方便便的的有有了了这这样样的的接接口口控控制制器器就就可可以以按按其其规规定定协协议议，通通过过串串行行通通信信方方式式（而而不不是是I/OI/O方方式式）完完成成对对现现场场设设备备的的监监控控如如果果设设想想全全部部或或大大部部分分现现场场设设备备都都具具有有串串行行通通信信接接口口，并并具具有有统统一一的的通通信信协协议议，控控制制器器只只需需一一根根通通信信电电缆缆就就可可与与分分散散的的现现场场设设备备连连接接，采采用用数数字字通通信信方方式式，完完成成对对所所有有现现场场设设备备的的监监控控和和信信息息集集成成，这就是现场总线技术的初始想法这就是现场总线技术的初始想法 5/10/202410.现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景 随随着着控控制制，计计算算机机，通通信信，网网络络等等技技术术的的发发展展，信信息息交交换换沟沟通通的的领领域域正正在在迅迅速速覆覆盖盖从从工工厂厂的的现现场场设设备备层层到到控控制制，管管理理的的各各个个层层次次，覆覆盖盖从从工工段段，车车间间，工工厂厂，企企业业乃乃至至世世界界各各地地的的市市场场信信息息技技术术的的飞飞速速发发展展，引引起起了了自自动动化化系系统统结结构构的的变变革革，逐逐步步形形成成以以网网络络集集成成自自动动化化系系统统为为基基础础的的企企业业信信息息系系统统现现场场总总线线就就是是顺顺应应这这一一形形式发展起来的新技术式发展起来的新技术 5/10/202411.现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景 2020世世纪纪末末，世世界界最最重重大大的的变变化化是是全全球球市市场场的的逐逐步步形形成成，从从而而导导致致竞竞争争空空前前加加剧剧，产产品品技技术术含含量量高高，更更新新换换代代快快处处于于全全球球市市场场之之中中的的工工业业生生产产必必须须加加快快新新产产品品的的开开发发，按按市市场场需需求求调调整整产产品品的的上上市市时时间间T T，改改善善质质量量Q Q，降降低低成成本本C C，并并不不断断完完善善售售前前售售后后服服务务S S，才才能能在在剧剧烈烈的的竞竞争争之之中中立立于于不不败败之之地地追追求求完完善善的的T.Q.C.S是是一一个个永永无无止止境境的的过过程程，它它能能不不断断地地促促进进技技术术进进步步与与管管理理改改革革为为了了适适应应市市场场竞竞争争需需要要，在在追追求求TQCSTQCS的的过过程程中中逐逐渐渐形形成成了了计计算算机机集集成成制造系统制造系统CIMS 5/10/202412.现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景 它它采采用用系系统统集集成成，信信息息集集成成的的观观点点来来组组织织工工业业生生产产把把市市场场，生生产产计计划划，制制造造过过程程，企企业业管管理理，售售后后服服务务看看做做要要统统一一考考虑虑的的生生产产过过程程，并并采采用用计计算算机机，自自动动化化，通通信信等等技技术术来来实实现现整整个个过过程程的的综综合合自自动动化化，以以改改善善生生产产加加工工，管管理理决决策策等等由由于于它它把把整整个个生生产产过过程程看看做做是是信信息息的的采采集集，传传送送及及加加工工处处理理的的过过程程，因因而而信信息息技技术术成成为为工工业业生生产产制制造造过过程程的的重重要要因因素素综综合合自自动动化化就就是是在在信信息息采采集集，加加工工的的基基础础上上，运运用用网网络络和和数数据据库库技技术术，实实现现信信息息集集成成，在在集集成成信信息息的的基基础础上上进进一一步步优优化化生生产产与与操操作作，增增加加产产量量，改善改善T.Q.C.S提高企业的市场应变能力和竞争能力提高企业的市场应变能力和竞争能力5/10/202413.现场总线技术产生的背景现场总线技术产生的背景 随随着着计计算算机机功功能能的的不不断断增增强强，价价格格急急剧剧降降低低，计计算算机机与与计计算算机机网网络络系系统统得得到到迅迅速速发发展展据据统统计计，过过去去二二十十年年中中，计计算算机机和和通通信信的的年年增增长长率率不不低低于于25%25%，使使计计算算机机集集成成制制造造系系统统的的实实施施具具备备了了良良好好的的物物质质基基础础但但处处于于企企业业生生产产过过程程底底层层的的测测控控自自动动化化系系统统，要要与与外外界界交交换换信信息息要要实实现现整整个个生生产产过过程程的的信信息息集集成成，要要实实现现综综合合自自动动化化，就就必必须须设设计计出出一一种种能能在在工工业业现现场场环环境境运运行行的的，性性能能可可靠靠，造造价价低低廉廉的的通通信信系系统统，以以实实现现现现场场自自动动化化智智能能设设备备之之间间的的多多点点数数字字通通信信，形形成成工工厂厂底底层层网网络络系系统统，实实现现底底层层现现场场设设备备之之间间以以及及生生产产现现场场与与外外界界的的信信息息交交换换现现场场总总线线就就是是在在这这种种背背景景下下产产生生的的5/10/202414.现场总线技术概念现场总线技术概念 现现场场总总线线是是应应用用在在生生产产现现场场，在在微微机机化化测测量量控控制制设设备备之之间间实实现现双双向向串串行行多多节节点点数数字字通通信信的的系系统统，也也被被称称为为开开放放式式，数数字字化化，多多点点通通信信的的底底层层控控制制网网络络它它把把单单个个分分散散的的测测量量控控制制设设备备变变成成网网络络节节点点，以以现现场场总总线线为为纽纽带带，把把它它们们连连接接成成可可以以相相互互沟沟通通信信息息，共共同同完完成成自自控控任任务务的的网网络系统与控制系统络系统与控制系统 5/10/202415.现场总线技术概念现场总线技术概念 根根据据国国际际电电工工委委员员会会（IECIEC）的的定定义义，现现场场总总线线是是安安装装在在生生产产过过程程区区域域的的现现场场设设备备仪仪表表与与控控制制室室内内的的自自动动化化控控制制装装置置系系统统之之间间的的一一种种串串行行，数数字字式式，多多点点通通信信的的数数据据总总线线或或者者说说，现现场场总总线线是是以以单单个个分分散散的的数数字字化化，智智能能化化的的测测量量和和控控制制设设备备作作为为网网络络节节点点，用用总总线线相相连连接接，实实现现相相互互交交换换信信息息，共共同同完完成成自自动动控控制制功功能能的的网网络络系系统统与与控控制制系系统统其其中中，生生产产过过程程应应包包括括断断续续生生产产过过程程和和连连续续生生产产过过程程现现场场设设备备仪仪表表指指位位于于现现场场层层的的传传感感器器，驱驱动动器器执执行行机机构构等等设设备备因因此此，现现场场总总线线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术5/10/202416.现场总线技术的主要特点现场总线技术的主要特点 (1)(1)现现场场总总线线使使用用数数字字化化通通信信信信号号取取代代传传统统的的4-20 4-20 mA mA 模模拟拟信信号号，可可用用一一条条通通信信电电缆缆将将控控制制器器与与现现场场设设备备连连接接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求(2)(2)现现场场总总线线要要求求现现场场设设备备数数字字化化，智智能能化化，因因此此，现现场设备是带有串行通信接口的智能化设备场设备是带有串行通信接口的智能化设备(3)(3)现现场场总总线线系系统统中中的的控控制制器器可可从从现现场场设设备备获获取取大大量量信信息息，可可实实现现设设备备状状态态，故故障障，参参数数信信息息传传送送，可可完完成成设备远程控制，参数化及故障诊断工作设备远程控制，参数化及故障诊断工作5/10/202417.现场总线技术的主要特点现场总线技术的主要特点 (4)(4)现现场场总总线线是是计计算算机机网网络络通通信信向向现现场场级级的的延延伸伸，现现场场总总线线技技术术采采用用计计算算机机数数字字化化通通信信技技术术，使使自自控控系系统统与与设设备备加加入入工工厂厂信信息息网网络络，完完成成了了企企业业信信息息系系统的覆盖范围一直延伸到生产现场的要求统的覆盖范围一直延伸到生产现场的要求 (5)(5)现现场场总总线线技技术术是是实实现现工工厂厂底底层层信信息息集集成成的的关关键键技技术术，要要成成功功地地实实施施CIMS,CIMS,各各层层次次的的信信息息集集成成及及支支撑撑技技术术（计计算算机机网网络络问问题题）就就必必须须得得到到解解决决现现场场总总线线是是工工厂厂计计算算机机网网络络到到现现场场设设备备的的延延伸伸，是是支支撑撑现场级与车间级信息集成的技术基础现场级与车间级信息集成的技术基础5/10/202418.现场总线的主要优点现场总线的主要优点 (1)(1)基基于于现现场场总总线线的的自自动动化化监监控控系系统统增增强强了了现现场场级级信信息息集集成成能能力力，现现场场总总线线可可从从现现场场设设备备获获取取大大量量丰丰富富信信息息，能能够够更更好好地地满满足足工工厂厂自自动动化化及及CIMSCIMS系系统统的的信信息息集集成成要要求求，系系统统除除完完成成远远程控制，还可完成远程参数化工作程控制，还可完成远程参数化工作(2)(2)开开放放式式，互互操操作作性性，互互换换性性，可可集集成成性性，不不同同厂厂家家产产品品只只要要使使用用同同一一总总线线标标准准，就就具具有有互互操操作作性性，互互换换性性，因因此此设设备备具具有有很很好好的的可可集集成成性性系系统统为为开开放放式式，允允许许其其它它厂厂商商将将自自己己专专长长的的控控制制技技术术集集成成到到通通用用系系统统中中去去，因因此此，市市场场上上将将会会出出现许多面向行业特点的监控系统现许多面向行业特点的监控系统5/10/202419.现场总线的主要优点现场总线的主要优点 (3)(3)系系统统可可靠靠性性高高，可可维维护护性性好好，基基于于现现场场总总线线的的自自动动化化监监控控系系统统采采用用总总线线连连接接方方式式替替代代一一对对一一的的I/OI/O连连接接，对对于于大大规规模模I/OI/O系系统统来来说说，减减少少了了由由接接线线点点造造成成的的不不可可靠靠因因素素同同时时系系统统具具有有现现场场级级设设备备的的在在线线故故障障诊诊断断，报报警警，记记录录功功能能，可可完完成成现现场场设设备备的的远远程程参参数数设设定定，修修改改等等参参数数化化工工作，也增强了系统的可维护性作，也增强了系统的可维护性(4)(4)节节省省成成本本，对对大大范范围围，大大规规模模I/OI/O的的分分布布式式系系统统来来说说，省省去去了了大大量量的的电电缆缆费费用用，I/OI/O模模块块及及电电缆缆的的敷敷设设工工程程费费用用，降低了系统及工程成本降低了系统及工程成本5/10/202420.成熟的现场总线应该具有的技术特点成熟的现场总线应该具有的技术特点 目目前前，国国际际上上流流行行的的现现场场总总线线技技术术有有很很多多，但但一一种种成熟的现场总线技术应该包括以下特点：成熟的现场总线技术应该包括以下特点：(1)(1)现现场场总总线线组组织织：一一个个由由产产品品制制造造商商，系系统统集集成成商商，研研究究院院所所组组成成的的企企业业组组织织联联盟盟，负负责责管管理理现现场场总总线线的的技技术术标标准准，研研发发，市市场场拓拓展展，技技术术信信息息交交流，产品技术认证等工作流，产品技术认证等工作(2)(2)现现场场总总线线标标准准：一一部部无无知知识识产产权权保保护护，开开放放的的现场总线技术标准现场总线技术标准5/10/202421.成熟的现场总线应该具有的技术特点成熟的现场总线应该具有的技术特点 (3)(3)现现场场总总线线产产品品：有有一一批批产产品品制制造造商商开开发发并并生生产产出出相相当当数量和品种的现场总线产品，供用户选择使用数量和品种的现场总线产品，供用户选择使用（4 4）现现场场总总线线认认证证：有有独独立立于于产产品品制制造造业业的的产产品品测测试试认认证证机机构构，负负责责产产品品的的技技术术标标准准测测试试认认证证工工作作，以以保保证现场总线技术产品的标准一致性和可互换性证现场总线技术产品的标准一致性和可互换性 (5)(5)现现场场总总线线工工程程研研究究：有有一一批批系系统统集集成成商商针针对对行行业业应应用用，给给出出基基于于现现场场总总线线的的自自动动化化系系统统解解决决方方案案，并并可可完完成工程实施成工程实施5/10/202422.现场总线技术对自动控制及现场总线技术对自动控制及自动化技术的影响自动化技术的影响 现现场场总总线线是是当当今今自自动动化化领领域域技技术术发发展展的的热热点点之之一一，被被誉誉为为自自动动化化的的计计算算机机局局域域网网，它它导导致致了了传传统统控控制制系系统统结结构构的的变变革革，形形成成了了新新型型的的网网络络集集成成式式全全分分布布控控制制系系统统现现场场总总线线控控制制系系统统FCSFCS，最最终终将将取取代代传传统统的的DCSDCS它它的的出出现现，标标志志着着工工业业控控制制技技术术领领域域又又一一个个新新时时代代的的开开始始，并并将将对对该该领领域域的的发发展展产产生生重重要要影影响响其其深深度度与与广广度度将将超超过过历历史史上上的的任任何何一一次次，将将开开创创自自动动化化的的新新纪元纪元5/10/202423.现场总线技术对自动控制及现场总线技术对自动控制及自动化技术的影响自动化技术的影响 (1)(1)现现场场总总线线技技术术是是实实现现现现场场级级设设备备数数字字化化通通信信的的一一种种工工业业现现场场层层网网络络通通信信技技术术，计计算算机机网网络络及及信信息息集集成成技技术术在在自自动动化化领领域域发发展展的的必必然然结结果果：是是一一次次工工业业现现场场级级设设备备通通信信的的数数字字化化变变革革，正正像像计计算算机机网网络络给给社社会会经经济济带带来来巨巨大大变变化化一一样样，现现场场总总线线技技术术将将给给自自动动化化领领域域带带来来一一场场深深刻刻的的革命革命5/10/202424.现场总线技术对自动控制及现场总线技术对自动控制及自动化技术的影响自动化技术的影响 (2)(2)现现场场总总线线技技术术以以其其开开放放性性为为重重要要特特点点，为为自自动动化化领领域域带带来来全全新新的的技技术术概概念念现现场场总总线线技技术术打打破破了了自自动动化化领领域域被被少少数数几几个个国国际际性性大大公公司司垄垄断断的的局局面面，使使众众多多中中，小小企企业业有有机机会会参参与与技技术术及及市市场场竞竞争争自自动动化化产产品品，市市场场，及及产产业业格格局局将将发发生生巨巨大大变变化化，以以技技术术为为核核心心，具具有有技技术术创创新新活活力力的的企企业在自动化产业中将占有重要位置业在自动化产业中将占有重要位置5/10/202425.现场总线技术对自动控制及现场总线技术对自动控制及自动化技术的影响自动化技术的影响 (3)(3)以以现现场场总总线线技技术术，自自动动化化技技术术，计计算算机机网网络络及及信信息息集集成成技技术术，计计算算机机软软件件技技术术为为核核心心，推推出出基基于于现现场场总总线线技技术术的的先先进进控控制制系系统统平平台台不不局局限限于于工工业业自自动动化化领领域域 ,可可广广泛泛应应用用于于市市政政建建设设，交交通通运运输输，能能源源电电力力，环环保保工工程程，智智能能楼楼宇宇及及住住宅小区的自动化控制及监控系统宅小区的自动化控制及监控系统现现场场总总线线技技术术促促进进与与该该系系统统平平台台相相关关的的技技术术研研究究，产产品品开开发发及及相相关关产产业业的的发发展展，如如现现场场总总线线技技术术及及工工业业控控制制网网络络技技术术和和产产品品，计计算算机机网网络络及及信信息息技技术术和和软软件件产产品品，自自动动化化及及机机电电一一体体化化技技术术和和智智能能仪仪器器仪仪表表产产品品带带出出一一个个以以相相关关高高新新技技术术为为核核心的自动化技术产业群体心的自动化技术产业群体5/10/202426.现场总线技术对自动控制及现场总线技术对自动控制及自动化技术的影响自动化技术的影响 (4)(4)现现场场总总线线是是工工厂厂计计算算机机网网络络到到现现场场级级设设备备的的延延伸伸，是是支支撑撑现现场场级级与与车车间间级级信信息息集集成成的的技技术术基基础础基基于于现现场场总总线线的的自自动动化化监监控控系系统统采采用用计计算算机机数数字字化化通通信信技技术术，使使自自控控系系统统与与设设备备加加入入工工厂厂信信息息网网络络，成成为为企企业业信信息息网网络络底底层层，使使企企业业信信息系统的覆盖范围一直延伸到生产现场息系统的覆盖范围一直延伸到生产现场从从工工厂厂底底层层自自动动化化及及信信息息集集成成技技术术角角度度看看，现现场场总总线线技技术术不不是是一一项项单单纯纯的的以以芯芯片片换换电电缆缆的的技技术术，是是计计算算机机及及其其数数字字化化通通信信技技术术向向工工厂厂底底层层，即即设设备备层层的的延延伸伸，是是工工厂厂底底层层通通信信技技术术的的一一次次数数字字化化革革命命是是实实现现全全厂厂自自动动化化及及CIMSCIMS系系统统的的基基础础现现场场总总线线技技术术的的发发展展，使使传传统统系系统统结结构构发发生生变变革革，并并带带来来传传统统系统无法比拟的优异特性系统无法比拟的优异特性5/10/202427.现场总线技术对自动控制及现场总线技术对自动控制及自动化技术的影响自动化技术的影响(5)现场总线技术将使自动化和自动控制领域产生重大现场总线技术将使自动化和自动控制领域产生重大变化如传统的信号制，将由变化如传统的信号制，将由4-29mA4-29mA模拟信号制转换为模拟信号制转换为双向数字通信的现场总线信号制双向数字通信的现场总线信号制:自动控制系统的体系自动控制系统的体系结构，将由模拟与数字的分散型系统（结构，将由模拟与数字的分散型系统（DCSDCS）转换为全）转换为全数字现场总线控制系统（数字现场总线控制系统（FCSFCS）进而，自动控制系统）进而，自动控制系统的设计方法和安装调试方式也将发生重大的变化；现行的设计方法和安装调试方式也将发生重大的变化；现行的现场设备和仪表的产品结构将发生重大变革；现场总的现场设备和仪表的产品结构将发生重大变革；现场总线把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，形成为线把自动控制系统和设备带进了信息网络之中，形成为企业信息网络的底层从而为实现企业信息集成和企业企业信息网络的底层从而为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了可行的基础综合自动化提供了可行的基础5/10/202428.经过国际协商，专家们认识到，以一种现场总线技术适经过国际协商，专家们认识到，以一种现场总线技术适应各行各业的自动化需求是不现实的。最后通过协商，应各行各业的自动化需求是不现实的。最后通过协商，妥协，于妥协，于19991999年底年底IEC TC 65(IEC TC 65(负责工业测量和控制的第负责工业测量和控制的第6565标准化委员会标准化委员会)通过了包含通过了包含8 8种类型的现场总线的种类型的现场总线的IEC IEC 6115861158作为现场总线国际标准，并于作为现场总线国际标准，并于20002000年正式发布年正式发布此国际标准（此国际标准（20002000）所包含的）所包含的8 8种类型的现场总线分别种类型的现场总线分别为：为：IEC 61158 IEC 61158 现场总线标准现场总线标准5/10/202429.类型类型1 IEC1 IEC技术报告（以技术报告（以 FF FF的的H1H1为原型）为原型）类型类型2 Control-Net(2 Control-Net(美国美国RockwellRockwell公司支持公司支持)类型类型3 Profibus(3 Profibus(德国西门子公司支持德国西门子公司支持)类型类型4 P-Net(4 P-Net(丹麦丹麦Process Dats Process Dats 公司支持公司支持)类型类型5 FF HSE(5 FF HSE(即原即原 FF FF 的的H2 Fisher-RosemountH2 Fisher-Rosemount公公司支持司支持)类型类型6 Swift Net(6 Swift Net(美国波音公司支持美国波音公司支持)类型类型7 World FIP(7 World FIP(法国法国AlstomAlstom公司支持公司支持)类型类型8 Interbus(8 Interbus(德国德国Phoenix contactPhoenix contact公司支持公司支持)IEC 61158 IEC 61158 现场总线标准现场总线标准5/10/202430.由于由于20002000年年IEC 61158 IEC 61158 标准的发布比较仓促，又由于标准的发布比较仓促，又由于现场总线技术的发展必须满足用户的新要求，于是，在现场总线技术的发展必须满足用户的新要求，于是，在此后各类型总线协议的提出者又分别做了修改，完善和此后各类型总线协议的提出者又分别做了修改，完善和补充，现在已进入第三版根据最新的补充，现在已进入第三版根据最新的IEC/TC65CIEC/TC65C文件，文件，该标准目前包括该标准目前包括1010种协议类型：除以上所说的种协议类型：除以上所说的8 8种外，种外，增加了：增加了：类型类型9:FF 9:FF 应用层应用层类型类型10:PROFInet(10:PROFInet(工业以太网工业以太网)IEC 61158 IEC 61158 现场总线标准现场总线标准5/10/202431.现场总线现场总线ProfibusProfibus标准介绍标准介绍 1987年德国工业界开始起动了年德国工业界开始起动了ProfibusProfibus联合开发项目。联合开发项目。由这个联合体开发的规则和标准成为德国的工业标准，由这个联合体开发的规则和标准成为德国的工业标准，即即DIN E 192452 Profibus标准。并于标准。并于1996年，德国的国年，德国的国家现场总线标准成为国际性标准，即欧洲标准家现场总线标准成为国际性标准，即欧洲标准EN 50170。（2000年年3月，月，ProfibusProfibus标准被批准为国际现场总线标准标准被批准为国际现场总线标准IEC 61158的组成部分的组成部分Type）。）。ISO/OSI模型模型 Profibus利用了现有的国家标准和国际标准。其协议以利用了现有的国家标准和国际标准。其协议以国际国际ISO（国际标准组织）的（国际标准组织）的OSI（开放系统互连）参考（开放系统互连）参考模型为基础。图模型为基础。图5.1 用图解说明用图解说明ISO/OSI通信标准模型通信标准模型.5/10/202432.ISO/OSI通信标准模型通信标准模型5/10/202433.ISO/OSI通信标准模型通信标准模型ISO/OSI 通通信信标标准准模模型型由由7层层组组织织，并并分分成成两两类类。一一类类是是面面向向用用户户的的第第5层层到到第第7层层，另另一一类类是是面面向向网网络络的的第第1层层到到第第4层层。第第1层层到到第第4层层描描述述数数据据从从一一个个地地方方传传输输到到另另一一个个地地方方，而而第第5层层到到第第7层层给给用用户户提提供供适当的方式去访问网络系统。适当的方式去访问网络系统。5/10/202434.协议结构和类型协议结构和类型从图从图5.25.2可以看出可以看出 ，ProfibusProfibus协议采用了协议采用了ISO/OSI模模型中的第型中的第1 1层、第层、第2 2层以及必要时还采用了第层以及必要时还采用了第7 7层。第层。第1 1层和第层和第2 2层的物理介质和传输协议是依据美国标准层的物理介质和传输协议是依据美国标准EIA RS4858、国际标准、国际标准IEC 870-5-13和欧洲标准和欧洲标准EN 60870-5-14制定的制定的。总线存取程序、数据传输。总线存取程序、数据传输和管理服务是基于德国和管理服务是基于德国DIN192415标准的第标准的第1 1到到3 3部部分和分和IEC 9556IEC 9556标准制定的。管理功能（标准制定的。管理功能（FMA7）采）采用了用了ISO DIS 7498-4（管理框架）的概念。从用户的（管理框架）的概念。从用户的角度看，角度看，ProfibusProfibus提供了三种通信协议类型：提供了三种通信协议类型：DP，FMS和和PA。5/10/202435.Profibus-DPProfibusProfibus-DP使使用用了了第第1层层、第第2层层和和用用户户接接口口层层。第第3到到7层未使用，层未使用，这这种种精精简简的的结结构构能能确确保保高高速速数数据据传传输输。采采用用直直接接数数据据链链路路映映象象程程序序（DDLM）提提供供对对第第2层层的的访访问问。在在用用户户接接口口中中规规定定了了ProfibusProfibus-DP设设备备的的应应用用功功能能，以以及及各种类型的系统和设备的行为特性。各种类型的系统和设备的行为特性。这这种种为为高高速速传传输输用用户户数数据据而而优优化化的的Profibus协协议议特特别别适适用用于于可可编编程程序序控控制制器器与与现现场场级级分分散散的的I/O设设备备之之间间的通信。的通信。5/10/202436.ProfibusProfibus的协议结构的协议结构5/10/202437.Profibus-FMSProfibus-FMSProfibus-FMS使使用用了了第第1层层、第第2层层和和第第7层层。应应用用层层（第第7层）包括层）包括FMS（现现场场总总线线报报文文规规范范）和和LLI（低低层层接接口口）。FMS包包含含应应用用协协议议和和提提供供的的通通信信服服务务。LLI建建立立各各种种类类型型的的通通信信关系，并给关系，并给FMS提供不依赖于设备的对第提供不依赖于设备的对第2层的访问。层的访问。FMS处处理理单单元元级级（PLC和和PC）的的数数据据通通信信。功功能能强强大大的的FMS服服务务可可在在广广泛泛的的应应用用领领域域内内使使用用，并并为为解解决决复复杂杂通通信任务提供了很大的灵活性。信任务提供了很大的灵活性。Profibus-DP和和Profibus-FMS使使用用相相同同的的传传输输技技术术和和总总线线存取协议。因此，它们可以在同一根电缆上同时运行。存取协议。因此，它们可以在同一根电缆上同时运行。5/10/202438.Profibus-PAProfibus-PA使使用用扩扩展展的的Profibus-DP协协议议进进行行数数据据传传输输。此此外外，它它执执行行规规定定现现场场设设备备特特性性的的PA设设备备行行规规。传传输输技技术术依依据据IEC 1158-27标标准准，确确保保本本徵徵安安全全和和通通过过总总线线对对现现场场设设备备供供电电。使使用用段段耦耦合合器器可可将将Profibus-PA设设备备很很容容易易地地集集成成到到Profibus-DP网络之中。网络之中。Profibus-PA是是为为过过程程自自动动化化工工程程中中的的高高速速、可可靠靠的的通通信信要要求求而而特特别别设设计计的的。用用Profibus-PA可可以以把把传传感感器器和和执执行行机机构构连连接接到到通通常常的的现现场场总总线线段段上上，即即使使在在防防爆爆区区域域的的传传感感器器和执行机构也可如此。和执行机构也可如此。5/10/202439.DP/FMS（RS 485）的物理层（第一层）的物理层（第一层）对对于于屏屏蔽蔽双双绞绞电电缆缆的的基基本本类类型型来来说说，Profibus的的第第1层层实实现现对对称称的的数数据据传传输输，符符合合EIA RS 4858标标准准（也也称称为为H2）。一一个个总总线线段段内内的的导导线线是是屏屏蔽蔽双双绞绞电电缆缆，段段的的两两端端各各有有一一个个终终端端器器（见见图图5.3）。传传输输速速率率从从9.6 k bit/sec到到12 M bit/sec可可选选，所所选选用用的的波特率适用于连接到总线（段）上的所有设备。波特率适用于连接到总线（段）上的所有设备。5/10/202440.Profibus信号的传输程序信号的传输程序用用于于Profibus RS 485的的传传输输程程序序是是以以半半双双工工、异异步步、无无间间隙隙同同步步为为基基础础的的。数数据据的的发发送送用用NRZ（不不归归零零）编编码码，即即1个个字字符符帧帧为为11位位（bit）见见图图5.4。当当发发送送位位（bit）时时，由由二二进进制制“0”到到“1”转换期间的信号形状不改变。转换期间的信号形状不改变。在在 传传 输输 期期 间间，二二 进进 制制“1”对对 应应 于于 RD/TD-P（Receive/Transmit-Data-P）线线 上上 的的 正正 电电 位位，而而 在在RXD/TXD-N线线上上则则相相反反。各各报报文文间间的的空空闲闲（idle）状状态态对对应应于于二二进进制制“1”信信号号（见见图图5.5）。在在专专用用文文献献中中，两两根根Profibus数数据据线线也也常常称称之之谓谓A线线和和B线线。A线线对对应应于于RXD/TXD-N信信号号，而而B线则对应于线则对应于RD/TD-P信号。信号。5/10/202441.RS485-RS485-总线段的结构总线段的结构 5/10/202442.Profibus信号的传输程序信号的传输程序5/10/202443.Profibus信号的传输程序信号的传输程序5/10/202444.ProfibusProfibus总线导线长度与波特率的关系总线导线长度与波特率的关系对于对于Profibus而言，最大允许的总线长度，亦称为而言，最大允许的总线长度，亦称为段长度，取决于所选用的传输速率（见表段长度，取决于所选用的传输速率（见表5.1）。）。在一个总线段中最多可以运行在一个总线段中最多可以运行32个站。个站。波特率波特率（kbit/sec)9.6到到187.5500150012000段长度段长度（m)10004002001005/10/202445.ProfibusProfibus的总线终端器的总线终端器根根据据EIA RS 485标标准准，在在数数据据线线A和和B的的两两端端均均加加接接总总线线终终端端器器。Profibus的的总总线线终终端端器器包包含含一一个个下下拉拉电电阻阻（与与数数据据基基准准电电位位DGND相相连连接接）和和一一个个上上拉拉电电阻阻（与与供供电电正正电电压压VP相相连连接接）。当当在在总总线线上上没没有有站站发发送送数数据据时时，也也就就说说在在两两个个报报文文之之间间总总线线处处于于空空闲闲状状态态时时，这这两两个个电电阻阻确确保保在在总总线线上上有有一一个个确确定定的的